注水水質(zhì)對(duì)海上油田籠統(tǒng)注水開(kāi)發(fā)影響實(shí)驗(yàn)研究

侯 岳，陳 斌，敖文君，王成勝，田津杰，闞 亮，季 聞

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452）

海上油田常用籠統(tǒng)注水的開(kāi)發(fā)方式，水質(zhì)問(wèn)題是影響開(kāi)發(fā)效果的重要因素之一[1-4]。目前大部分的海上油田的注入水以清水、污水混合注入為主，注水水質(zhì)基本達(dá)標(biāo)，其中部分油田注入水中二價(jià)鐵、三價(jià)鐵含量超標(biāo)，含量在2.0 mg/L～4.0 mg/L[5-7]。由于二價(jià)鐵活性的極不穩(wěn)定，與混入的溶解氧反應(yīng)生成三價(jià)鐵，三價(jià)鐵易生成氫氧化鐵膠體，膠體失穩(wěn)最終變?yōu)檠趸F沉淀，造成注入水中固體懸浮物含量上升，注水水質(zhì)變差[8-10]，對(duì)注入造成不利影響。

目前石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5329-2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)和分析方法》中只是將總鐵指標(biāo)控制在0.5 mg/L 以下，沒(méi)有將二價(jià)鐵、總鐵含量作為水質(zhì)主要控制指標(biāo)，然而目前鐵離子的存在對(duì)注水水質(zhì)和地層傷害性影響的研究報(bào)道較少，是否將鐵離子含量作為主要水質(zhì)控制指標(biāo)，需要進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)論證。本文主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)鐵離子存在引起注水水質(zhì)變化和地層傷害性進(jìn)行論證，對(duì)鐵離子對(duì)注水的危害性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

驅(qū)替巖心采用人工膠結(jié)巖心：直徑2.5 cm，長(zhǎng)度10 cm；驅(qū)替水系用0.45 μm 薄膜過(guò)濾后的模擬地層水；模擬污水分別為加入3.0 mg/L Fe3+配制形成的含有Fe（OH）3絮體的模擬污水和加入3.0 mg/L Fe3+和3.0 mg/L Na2S 形成的含有FeS 的模擬污水。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）巖心抽空飽和油田模擬地層水24 h 以上；

（2）在60 ℃實(shí)驗(yàn)溫度下，用過(guò)濾后模擬地層水以2.0 mL/min 的流速快速驅(qū)替巖心30 min，排除微粒運(yùn)移對(duì)巖心物性的影響，再將流速調(diào)至0.8 mL/min，在該流速下恒速驅(qū)替2 h 后測(cè)定巖心的地層水滲透率K0；

（3）驅(qū)替污水20 PV，待流速穩(wěn)定后測(cè)滲透率Kr；

（4）計(jì)算巖心滲透率損害率，（K0-Kr）/K0×100 %。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 注入水中鐵離子來(lái)源

油田水中鐵離子來(lái)源包括原生和外來(lái)兩種。根據(jù)對(duì)典型油田J 水處理系統(tǒng)和注水系統(tǒng)中鐵離子的含量情況進(jìn)行分析可以看出：油井產(chǎn)出液中鐵離子含量并不高（0.5 mg/L 左右），整個(gè)油水系統(tǒng)并不存在明顯腐蝕引起的鐵離子偏高情況；水源井鐵離子含量嚴(yán)重超標(biāo)，含量在3.0 mg/L～4.0 mg/L，水源井水與生產(chǎn)污水混合后造成整個(gè)注入水鐵離子超標(biāo)，可見(jiàn)，水源水是引起注入水鐵離子超標(biāo)的主要原因。

造成水源清水亞鐵/總鐵含量較高的原因是：（1）地層水溶解地層巖心中的含鐵礦物質(zhì)使鐵離子（Fe2+、Fe3+）進(jìn)入地層水中，這部分鐵離子屬原生。目前渤海油田注入水清水主要來(lái)自館陶組地層，館陶組地層水本身含鐵量較高；（2）清水礦化度較高，含一定量的腐蝕性氣體，且水源井pH 值呈弱酸性；弱酸性水源水具腐蝕性，容易引起水源井生產(chǎn)管柱被腐蝕，造成水源井水中鐵離子含量較高，這類鐵離子屬外來(lái)來(lái)源。

2.2 溶解氧與鐵離子對(duì)注入水質(zhì)的影響

水處理系統(tǒng)中難免會(huì)因密封不緊密而混入溶解氧，特別是清水與污水混合過(guò)程中。溶解氧或其他氧化性物質(zhì)會(huì)將Fe2+氧化成Fe3+，F(xiàn)e3+不穩(wěn)定，形成Fe（OH）3沉淀，造成水體懸浮物濃度升高[4]（見(jiàn)圖1）。

圖1 J 油田水源井氧化情況

在水中二價(jià)鐵離子含量一定的情況下，隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)，溶解氧增加，水中懸浮物增加（見(jiàn)圖2）。說(shuō)明水中有二價(jià)鐵離子存在條件下，水中溶解氧會(huì)氧化二價(jià)鐵離子，導(dǎo)致三價(jià)鐵的氧化物或氫氧化物等不溶性物質(zhì)生成，影響水中懸浮物含量變化。隨水中溶解氧含量增加，二價(jià)鐵離子氧化程度加深，對(duì)水質(zhì)影響更嚴(yán)重。

圖2 放置時(shí)間對(duì)懸浮物濃度的影響

隨水中鐵離子含量的增加，水中懸浮物含量逐漸增加（見(jiàn)圖3）。說(shuō)明其他條件相同的情況下，鐵離子的存在對(duì)水中懸浮物含量有影響，導(dǎo)致水中懸浮物含量增加[5]。

圖3 鐵離子含量對(duì)懸浮物含量的影響

圖4 現(xiàn)場(chǎng)所取水樣及濾膜截留物

2.3 硫化物與鐵離子對(duì)注入水質(zhì)的影響

采油污水中含有大量的SRB，SRB 利用水中的硫酸根離子作為電子受體，在代謝產(chǎn)物中將其還原為S2-，并生成H2S，對(duì)管線具有強(qiáng)腐蝕作用[6，7]。反應(yīng)產(chǎn)物為不溶于水的FeS、FeSx 顆粒，從現(xiàn)場(chǎng)井口取得的水樣呈黑色、有臭味就充分證明了這一點(diǎn)（見(jiàn)圖4）。

首先對(duì)污水進(jìn)行脫氧處理（去除溶解氧的影響），然后向水中投加硫化鈉，使水中S2-濃度控制在一定范圍內(nèi)，然后加入適量FeCl2，使水中Fe2+濃度控制在一定范圍內(nèi)，反應(yīng)一定時(shí)間后檢測(cè)水中懸浮物含量。通過(guò)一系列不同濃度的實(shí)驗(yàn)，得到S2-與Fe2+對(duì)水中懸浮固體的影響規(guī)律（見(jiàn)圖5）。

由圖5 看出，隨水中Fe2+含量和S2-含量的增加，水中懸浮物含量逐漸增加，這是因?yàn)樯蒄eS 的緣故，隨著Fe2+含量和S2-含量的增加，F(xiàn)eS 沉淀增加，因此懸浮物含量進(jìn)一步升高。

2.4 鐵離子對(duì)注入水腐蝕性的影響

隨著Fe2+濃度升高和溫度的升高，污水腐蝕速率明顯上升，說(shuō)明Fe2+的存在使污水腐蝕性增強(qiáng)（見(jiàn)圖6）。原因是Fe2+與水反應(yīng)生成Fe（OH）2和H+，使得注入水pH 降低，從而加快了注入水的腐蝕速率。溫度的上升加快反應(yīng)速率，增加了兩者的反應(yīng)程度，氫離子濃度增加，因而進(jìn)一步加快了注入水的腐蝕速率。

圖5 不同濃度的硫離子和鐵離子作用后水中懸浮物含量的變化情況

圖6 不同溫度及鐵離子含量下的腐蝕速率

2.5 鐵離子對(duì)地層的影響

水中的鐵離子是造成堵塞的主要因素[6，7]。對(duì)部分注水井井底垢樣進(jìn)行分析，垢樣中鐵離子含量較高，最高可達(dá)58 %。水中游離的鐵離子經(jīng)溶解氧氧化后，生成以三價(jià)鐵和二價(jià)鐵難溶化合物，如Fe（OH）2、Fe2O3、Fe（OH）3、FeS 等。難溶化合物主要以兩種狀態(tài)形式存在：一是在生成沉淀過(guò)程中，以固有顆粒為晶核，由于包裹作用，形成大的絮體，呈現(xiàn)“軟顆粒”的形態(tài)；二是生成的難溶化合物或細(xì)小絮凝物。水中含鐵、含氧、含硫化物生成的難溶化合物增加了注入水中的顆粒粒徑分布和顆粒濃度，造成近井地帶污染嚴(yán)重，注水壓力升高，達(dá)不到配注要求。

水中的鐵離子與溶解氧、硫化物接觸生成不同的固體懸浮物形式[6，7]，為了分析鐵沉淀的不同存在形式對(duì)地層傷害性影響，開(kāi)展了巖心流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，巖心滲透率基本保持穩(wěn)定，在水驅(qū)至20 PV 時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)模擬污水驅(qū)，含有Fe（OH）3絮體的模擬污水巖心滲透率下降比較緩慢，驅(qū)替20 PV 后，測(cè)滲透率為340×10-3μm2，滲透率傷害率達(dá)25 %；含有FeS 的模擬污水驅(qū)替過(guò)程中，巖心滲透率下降幅度明顯，驅(qū)替20 PV 后，測(cè)滲透率為190×10-3μm2，滲透率傷害率達(dá)58 %；說(shuō)明含有FeS 的模擬污水對(duì)巖心傷害更嚴(yán)重。

實(shí)驗(yàn)巖心出口端流出液為清澈透亮液體，說(shuō)明模擬污水中的固體懸浮物被巖心截留。取出巖心觀察，發(fā)現(xiàn)注含有Fe（OH）3絮體的模擬污水的巖心前端截留有大量黃色固體物質(zhì)；注含有FeS 的模擬污水的巖心前端的截留物較少。主要原因是形成的固體懸浮物的粒徑不同造成的，F(xiàn)e（OH）3絮體大，不容易進(jìn)入巖心深部，只能在巖心前端不斷的壓實(shí)堆積；而FeS 沉淀的粒徑較小，能夠進(jìn)入巖心深部進(jìn)行架橋堆積，造成巖心深部傷害，傷害嚴(yán)重。所以，防止注入水中FeS 沉淀的產(chǎn)生對(duì)防止地層傷害具有重要意義。

3 結(jié)論

（1）溶解氧、硫化物能夠使含有二價(jià)鐵離子的注入水中懸浮物的濃度升高；

（2）注入水中含有鐵離子能夠增加注入水的腐蝕速率，同時(shí)，鐵離子濃度越高、溫度越高，腐蝕速率增加愈明顯；

（3）通過(guò)注入性實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)鐵離子的存在能明顯降低巖心滲透率，原因是產(chǎn)生的Fe（OH）3和FeS 沉淀造成巖心堵塞，并且粒徑更小的FeS 沉淀對(duì)巖心的傷害更明顯，巖心傷害率可達(dá)58 %。